JP6090075B2

JP6090075B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6090075B2
Application number: JP2013183118A
Authority: JP
Inventors: 史和丹羽
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-09-04
Also published as: JP2015050421A

Description

本明細書に開示の技術は半導体装置に関する。

半導体装置では、逆回復電流が流れるときにキャリアが局部的に集中して半導体装置が破壊されてしまうことがある。特許文献１には、このような破壊を防ぐための技術の一例が開示されている。具体的には、特許文献１には、ｎ型の第１半導体層と、第１半導体層内に設けられるｐ型の第２半導体層と、第１半導体層に電気的に接続される第１主電極（カソード電極）と、第２半導体層に電気的に接続される第２主電極（アノード電極）とを備える半導体装置（ダイオード）が開示されている。この半導体装置では、第２半導体層の端部において、第２主電極と第２半導体層とが接触しない領域を広くしている。これにより、逆回復電流が流れるときに第２半導体層の端部から第２半導体層内に注入されるキャリアの濃度を低減し、半導体装置の破壊を防いでいる。

特開平９−２３２５９７号公報

しかしながら、特許文献１の半導体装置では、第２半導体層に注入されたキャリアが第２主電極に向けて流れるときに、第２主電極の端部（第２主電極と第２半導体層とが接触する部分の端部）にキャリアが集中して半導体装置が破壊されることがある。そのため、半導体装置の更なる改良が望まれていた。

そこで本明細書は、逆回復電流が電極に流れるときにキャリアが一箇所に集中することを抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。

本明細書に開示する半導体装置は、第１電極と、第１電極の表面に配置された第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の表層部に配置された第２導電型の第２半導体層と、第２半導体層の周縁に隣接して第１半導体層の表層部に配置された第２導電型のキャリア通過領域と、第２半導体層の表面及びキャリア通過領域の表面の一部に配置された第２電極と、キャリア通過領域の周辺に形成された周辺耐圧構造と、を備えている。キャリア通過領域は、第２半導体層よりも深く形成されており、かつ、第２電極と接触する接触面では面方向に沿って第２半導体層から周辺耐圧構造側に向かって不純物濃度が漸次的に低濃度となっており、第２電極と接触しない部分では深さ方向に沿って不純物濃度が漸次的に高濃度になっている。

このような構成によれば、第１電極と第２電極の間に順方向バイアスを印加すると、第１半導体層及び第２半導体層のキャリア（電子又は正孔）がそれぞれ第２半導体層及び第１半導体層に流入する。このとき、第２半導体層のキャリアは周辺耐圧構造近傍の第１半導体層にも流入する。一方、第１電極と第２電極の間に逆方向バイアスを印加すると、第１半導体層及び第２半導体層に流入していたキャリア（正孔又は電子）がそれぞれ逆方向に流れ、逆回復電流が流れる。また、逆方向バイアスの印加により、第１半導体層と第２半導体層の接合部分から第１半導体層及び第２半導体層の内部に空乏層が拡がってゆく。この空乏層は、第１半導体層と第２半導体層の接合部分から周辺へ拡がってゆく。その結果、第１半導体層の内部において、空乏層の周辺への拡がりによりキャリアが周辺方向（すなわち、キャリア通過領域の周辺の周辺耐圧構造近傍）にキャリアが移動してゆく。そして、第１半導体層の内部において周辺耐圧構造近傍に移動したキャリア及びもともと周辺耐圧構造近傍に流入していたキャリアが、逆方向バイアスにより第１半導体層から第２電極に向かって流れてゆく。このとき、本明細書に開示の技術によれば、第１半導体層から第２電極に向かって流れるキャリアが、第２半導体層の周縁に隣接しているキャリア通過領域を通過して第２電極へ流れる。すなわち、本明細書に開示の技術によれば、キャリア通過領域が第２半導体層の周縁に隣接し、第２半導体層よりも深く形成されているので、第１半導体層から第２電極に向かって流れるキャリアは、第２半導体層よりもキャリア通過領域を通過しやすくなる。これにより、逆方向バイアスの印加により第１半導体層から第２電極に向かって流れるキャリアが、キャリア通過領域を通過してゆく。また、キャリア通過領域が第１電極と接触しない部分では、深さ方向に沿って不純物濃度が漸次的に高濃度になっているので、第１半導体層からキャリア通過領域に流入するキャリアは、深い部分から浅い部分に向かって順に流入量が減りながらキャリア通過領域に流入する。その結果、キャリア通過領域に流入するキャリアは、深さ方向に流入量が分散して流入する。よって、キャリアは分散した状態でキャリア通過領域を通過する。また、キャリア通過領域が第２電極と接触する接触面では、面方向に沿って第２半導体層から周辺耐圧構造側に向かって不純物濃度が漸次的に低下しているので、キャリア通過領域を通過して第２電極に流入するキャリアは、面方向に分散した状態で第２電極に流入する。

以上のように、本明細書に開示の技術によれば、逆回復電流が流れるときに第１半導体層から第２電極に向かって流れるキャリアを、キャリア通過領域により分散して第２電極に流入させることができる。これにより、キャリアが一箇所に集中して流れることが抑制される。よって、本明細書に開示の技術によれば、逆回復電流が流れるときにキャリアが一箇所に集中することを抑制できる。

実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。実施形態に係る半導体装置のアノード電極等を省略して示す平面図である。実施形態に係る半導体装置の作動について説明する図である。

以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。実施形態に係る半導体装置１は、図１に示すように、半導体基板１０と、半導体基板１０の表面に形成されたアノード電極７と、半導体基板１０の裏面に形成されたカソード電極２とを備えている。アノード電極７及びカソード電極２は図示しない電源に接続されており、半導体装置１に順方向バイアスまたは逆方向バイアスを印加することができる。また、半導体装置１は、半導体基板１０の表面に形成された層間絶縁膜８３およびガードリング電極８２を備えている。また、半導体装置１は、中心部のダイオード領域２０と、ダイオード領域２０の周囲を取り囲む終端領域３０とを備えている。

半導体基板１０は、カソード電極２の表面に配置されたｎ型半導体層１１を備えている。ｎ型半導体層１１は、カソード電極２の表面に配置されたｎ⁺型のカソード層３と、カソード層３の表面に配置されたｎ⁻型のドリフト層４とを備えている。ダイオード領域２０において半導体基板１０は、ドリフト層４の表層部に配置されたｐ^＋型のアノード層５と、アノード層５の周縁５１に隣接してドリフト層４の表層部に配置されたｐ型のキャリア通過領域６とを備えている。終端領域３０において半導体基板１０は、キャリア通過領域６の周辺に形成された周辺耐圧構造８を備えている。半導体基板１０は、例えばＳｉから形成されており、イオン注入により上記の各構成を形成できる。

カソード電極２は、例えばアルミニウムや銅等の金属膜により形成されている。カソード電極２は、カソード層３の裏面全体を覆っており、カソード層３に電気的に接続されている。カソード電極２は、ダイオード領域２０及び終端領域３０に形成されている。

カソード層３及びドリフト層４は、ダイオード領域２０及び終端領域３０に形成されている。一方、アノード層５は、ダイオード領域２０に形成されており、キャリア通過領域６より内側に配置されている。アノード層５の周縁５１はキャリア通過領域６に接触している。

アノード電極７は、アノード層５の表面及びキャリア通過領域６の表面の一部に配置されている。アノード電極７は、例えばアルミニウムや銅等の金属膜により形成されている。また、アノード電極７は、アノード層５の表面全体を覆っており、アノード層５に電気的に接続されている。また、アノード電極７は、アノード層５の周縁５１を越えて延びており、キャリア通過領域６及び層間絶縁膜８３に接触している。

キャリア通過領域６は、図２の平面図においてアノード層５を取り囲んでいる。キャリア通過領域６は、ｐ^＋型の半導体からなり、周辺耐圧構造８より内側に形成されている。なお、図２では、説明のためにアノード電極７、層間絶縁膜８３およびガードリング電極８２を省略して示している。また、キャリア通過領域６は、図１の断面図において矩形状に形成されており、積層方向においてアノード層５の層厚より厚く形成されている。また、キャリア通過領域６は、アノード層５、アノード電極７および層間絶縁膜８３にそれぞれ接触している。また、キャリア通過領域６は、複数の通過層６１を有している。本実施形態では３層の通過層６１が形成されている。最上部の通過層６１１は、図１の断面図において矩形状に形成されている。また、最上部以外の中央部及び最下部の２層の通過層６１２、６１３は、それぞれ図１の断面図において屈曲しており、Ｌ字状に形成されている。最下部の通過層６１３がアノード層５の周縁５１に接触しており、最上部の通過層６１１が層間絶縁膜８３に接触している。また、最上部の通過層６１１は、層間絶縁膜８３の内側から露出している。各層の通過層６１は、それぞれ一方側がアノード電極７に接触すると共に、他方側がドリフト層４に接触している。また、キャリア通過領域６は、ｐ型の不純物濃度が漸次的に変化している。具体的には、各通過層６１がそれぞれ異なる不純物濃度を有しており、キャリア通過領域６の不純物濃度が段階的に変化している。より詳細には、最下部の通過層６１３の不純物濃度が最も高く、最上部の通過層６１１の不純物濃度が最も低い。これにより、キャリア通過領域６は、アノード電極７と接触する部分（接触面）では面方向に沿ってアノード層５側から周辺耐圧構造８（後述）側に向かって不純物濃度が漸次的に低濃度となっている。より具体的には、アノード電極７と接触する部分において内側の通過層６１３の不純物濃度が、外側の通過層６１１の不純物濃度より高濃度になっている。また、キャリア通過領域６は、積層方向においてアノード層５よりも深く形成されている。キャリア通過領域６は、アノード電極７と接触しない部分（層間絶縁膜８３と接触する部分）においては深さ方向に沿って不純物濃度が漸次的に高濃度になっている。また、最下部の通過層６１３のｐ型の不純物濃度は、アノード層５のｐ型の不純物濃度より高いことが好ましい。

周辺耐圧構造８は、キャリア通過領域６の周辺に配置されている。周辺耐圧構造８は、本実施形態では、ガードリング８１を有する公知のＦＬＲ（ＦｉｅｌｄＬｉｍｉｔｅｄＲｉｎｇ）構造としている。具体的には、周辺耐圧構造８は、キャリア通過領域６の周辺に配置された複数のガードリング８１と、それぞれのガードリング８１の表面に配置されたガードリング電極８２とを備えている。ガードリング８１は、ｐ^＋型の半導体からなり、ドリフト層４の表層部に形成されている。また、ガードリング８１は、キャリア通過領域６の周囲を取り囲んでいる。ガードリング電極８２は、例えばアルミニウムや銅等の金属膜により形成されている。また、ガードリング電極８２は、ガードリング８１の表面を覆っており、ガードリング８１に電気的に接続されている。層間絶縁膜８３は、例えばＳｉＯ_２から形成されている。層間絶縁膜８３は、キャリア通過領域６の一部を覆うと共に、ガードリング８１の一部を覆っている。層間絶縁膜８３は、キャリア通過領域６とアノード電極７の間に形成されている。

次に、以上の構成を備える半導体装置の作動について説明する。まず、上記の半導体装置１のカソード電極２とアノード電極７の間に順方向バイアスを印加すると、カソード層３とドリフト層４の電子（キャリア）がアノード層５に流入する。また、アノード層５の正孔（キャリア）がドリフト層４及びカソード層３に流入する。これにより半導体装置１に順方向電流が流れる。続いて、これとは逆に、カソード電極２とアノード電極７の間に逆方向バイアスを印加すると、上記のキャリア（電子及び正孔）がそれぞれ逆方向に流れる。また、逆方向バイアスの印加により、アノード層５とドリフト層４の接合部分からアノード層５及びドリフト層４内に空乏層が拡がってゆき、ドリフト層４に流入していた正孔がダイオード領域２０の周辺に移動し、終端領域３０の近傍に集まる。そして、終端領域３０の近傍に移動した正孔および終端領域３０に存在していた正孔がアノード電極７に向かって流れてゆく。このとき、本実施形態の半導体装置１によれば、図３に示すように、アノード電極７に向かって流れる正孔が、ドリフト層４からキャリア通過領域６に流入し、キャリア通過領域６を通過してアノード電極７に流れる。また、この正孔は、キャリア通過領域６に流入するときに、複数の通過層６１（６１１、６１２、６１３）に分散して流入し、各通過層６１を通過してアノード電極７に流れる。

上述の説明から明らかなように、キャリア通過領域６がアノード層５の周縁に隣接し、アノード層５よりも深く形成されているので、ドリフト層４からアノード電極７に向かって流れる正孔は、アノード層５よりもキャリア通過領域６を通過しやすくなる。これにより、逆方向バイアスの印加時に、ドリフト層４からアノード電極７に向かって流れる正孔が、キャリア通過領域６を通過してゆく。また、キャリア通過領域６がドリフト層４と接触する部分では、深さ方向に沿って不純物濃度が漸次的に高濃度になっているので、ドリフト層４からキャリア通過領域６に流入する正孔は、深い部分から浅い部分に向かって順に流入量が減りながらキャリア通過領域６に流入する。その結果、正孔は、深さ方向に流入量が分散してキャリア通過領域６に流入し、分散した状態でキャリア通過領域６を通過する。また、キャリア通過領域６がアノード電極７と接触する部分では、面方向に沿って不純物濃度が漸次的に変化しているので、キャリア通過領域６を通過してアノード電極７に流入する正孔は、面方向に分散した状態でアノード電極７に流入する。以上のように、本実施形態の半導体装置１によれば、逆回復電流が流れるときにドリフト層４からアノード電極７に向かって流れる正孔を、キャリア通過領域６内を分散して流すことができる。これにより、正孔が分散して流れるので、一箇所に集中して流れることがない。よって、逆回復電流が流れるときにキャリアが一箇所に集中するのを抑制できる。

以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではキャリア通過領域６が３層の通過層６１を備えていたが、層の数は特に限定されるものではない。

また、上記実施形態ではキャリア通過領域６が複数の通過層６１に分割されていたが、必ずしも複数の層に分割されていなくてもよい。この場合、キャリア通過領域６の不純物濃度は、グラデーションにより漸次的に変化している。すなわち、キャリア通過領域６は、層の区別がない状態で、不純物濃度が漸次的に変化している。

また、上記実施形態では周辺耐圧構造８としてＦＬＲ構造を用いていたが、周辺耐圧構造８はこの構成に限定されるものではなく、例えば周辺耐圧構造８として公知のＲＥＳＵＲＦ（ＲｅｄｕｃｅｄＳｕｒｆａｃｅＦｉｅｌｄ）構造を用いてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１；半導体装置
２；カソード電極
３；カソード層
４；ドリフト層
５；アノード層
６；キャリア通過領域
７；アノード電極
８；周辺耐圧構造
１０；半導体基板
１１；ｎ型半導体層
２０；ダイオード領域
３０；終端領域
５１；周縁
６１；通過層
８１；ガードリング
８２；ガードリング電極
８３；層間絶縁膜

Claims

第１電極と、
第１電極の表面に配置された第１導電型の第１半導体層と、
第１半導体層の表層部に配置された第２導電型の第２半導体層と、
第２半導体層の周縁に隣接して第１半導体層の表層部に配置された第２導電型のキャリア通過領域と、
第２半導体層の表面及びキャリア通過領域の表面の一部に配置された第２電極と、
キャリア通過領域の周辺に形成された周辺耐圧構造と、
第２電極より周辺耐圧構造側においてキャリア通過領域の表面に配置された絶縁膜を備え、
キャリア通過領域は、第２半導体層よりも深く形成されており、周辺耐圧構造側で第１半導体層と接触しており、かつ、低濃度層と、低濃度層より不純物濃度が高い高濃度層を備えており、
キャリア通過領域が第２電極と接触する接触面では面方向に沿って第２半導体層から周辺耐圧構造側に向かって高濃度層と低濃度層がこの順で形成されており、
絶縁膜の下方の部分では第１半導体層の深い側に向かって低濃度層と高濃度層がこの順で形成されており、
低濃度層が高濃度層を挟まずに周辺耐圧構造側の第１半導体層に接触している、半導体装置。